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Circulateurs

(Source: pryzmat / Shutterstock.com)

Dans une installation de chauffage et de refroidissement, les circulateurs sont des auxiliaires qui permettent de faire circuler le fluide caloporteur entre la production et l'émission. La réglementation actuelle tend à orienter le choix vers certains types de circulateur et de régulation associée pour réduire les consommations électriques de ces auxiliaires. Au sein de l'Union Européenne, on estime ces consommations à +/- 2% de la consommation totale d'électricité, soit +/-30 millions de tonnes de CO2 par an.

Quels sont les différents type de circulateurs?

Deux types de circulateurs existent:

  • Les circulateurs à rotor noyé : le rotor est immergé dans l'eau de distribution de chauffage pour refroidir et lubrifier le moteur. Ce type de circulateur est très fiable, demande peu d'entretien et est utilisé pour des installations de petite et moyenne taille (unifamiliale, logement collectif, bureau de superficie inférieure à 5000 m²).

  • Les circulateurs à moteur ventilé  : Le refroidissement du moteur s'effectue par un ventilateur qui est source de nuisances sonores. Ces circulateurs sont utilisés pour des installations de grande taille.

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A gauche: un circulateur à rotor noyé (Source: Wilo ) , à droite:circulateur à moteur ventilé (Source: Salmson )

Comment un circulateur est-il piloté?

  • Distribution à pression constante:

    Actuellement la tendance est de faire fonctionner la distribution à pression constante. Pour cela, certains nouveaux circulateurs permettent de fonctionner à vitesse variable en fonction de sondes de pression.

    Prenons l'exemple d'une installation de chauffage avec des radiateurs équipés de vannes thermostatiques. Lorsque certaines vannes sont fermées, la pression dans le circuit de distribution augmente. Le circulateur à vitesse variable réduit alors sa vitesse de fonctionnement pour conserver la même pression dans le circuit. Les radiateurs dont la vanne thermostatique est restée ouverte conservent ainsi la même vitesse de distribution et par conséquent la même puissance.

    L'avantage réside dans le fait que les radiateurs ne s'influencent pas les uns avec les autres et que le confort est maintenu dans l'ensemble des pièces. Il est à noter qu'on prévoit toujours une vanne à pression différentielle dans le circuit de distribution afin d'éviter que le circulateur ne surchauffe lorsque l'ensemble des vannes sont fermées.

  • Circulateurs à vitesse fixe: Les circulateurs de l'ancienne génération étaient majoritairement des circulateurs à 3 vitesses fixes.

Quel type de circulateur choisir?

La directive européenne Eco-design a limité le type de circulateurs sur le marché à des circulateurs à vitesse variable avec moteurs synchrones à commutation électronique (ECM) qui ont des rendements moteurs élevés, même à charge partielle.

Comment s'applique la directive Eco-design aux circulateurs?

La directive Eco-design (aussi appelé ErP (Energy related Products) ou EuP (Energy using Products)), relative à l'écoconception des produits liés à l'énergie, a révolutionné le marché des circulateurs. Celle-ci impose à tout circulateur mis sur le marché un niveau de consommation d'énergie inférieure à un seuil, caractérisé par:

  • l'indice EEI (Indice d'Efficacité Energétique) , pour les circulateurs à rotors noyés
  • l'indice IE (International Efficiency), pour les circulateurs à moteurs ventilés

Ainsi, depuis 2015, la directive s'applique à l'ensemble des circulateurs externes et internes aux chaudières, pompes à chaleur et installations solaires thermiques.

Noter que les circulateurs intégrés dans les produits pourront être remplacés à l'identique jusqu'en 2020.

Le graphique ci-dessous montre l'évolution des exigences de performances énergétiques des circulateurs à rotor noyé. 

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Evolution des exigences de performances énergétiques des circulateurs à rotor noyé (Source: Wilo )

Quels sont les paramètres essentiels pour la sélection d'un circulateur?

La sélection d'un circulateur se fait sur base de:

  • son débit hydraulique:

    celui-ci permettra de véhiculer la puissance nécessaire pour couvrir les besoins du bâtiment. On contrôlera que le circulateur à débit variable reste dans la plage de fonctionnement pour le débit minimum de l'installation (qui peut correspondre au débit minimal de la chaudière ou de la machine frigorifique).

  • les pertes de charges ou hauteur manométrique à vaincre:

    • Les ordres de grandeur de pertes de charges [∆P], utilisés pour les circuits fermés sont :

      • typiquement pour le collectif et le petit tertiaire: ∆P = 20 et 80 kPa.
      • typiquement pour l'unifamilial: ∆P = 10 et 40 kPa.
    • Hauteur manométrique [Hm], utilisé pour les circuits ouverts : celle-ci représente la différence de hauteur entre le point bas et le point haut du circuit.

Le détail du calcul du débit hydraulique et des pertes de charges, est développé dans le dispositif qui aborde le dimensionnement des conduites.

La page Etude de cas de ce dispositif montre comment sélectionner un modèle de circulateur en fonction de ces paramètres.

Quels sont les points d'attention pour la sélection d'un circulateur ?

  • Cavitation

    La cavitation est un phénomène qui se produit dans les pompes lorsque la pression du côté aspiration de celles-ci, diminue sous le niveau de la pression de vapeur saturante de l'eau, entrainant la formation de particules de vapeur. En traversant la pompe, ces particules repassent à l'état liquide en créant des ondes de chocs (implosion) qui endommagent les pales de la pompe et réduisent le débit et la pression de la pompe.

    Ces implosions créent du bruit et on procédera un entretien lorsqu'on entend un circulateur qui « claque ».

    Pour éviter la cavitation, une pression minimale en amont de la pompe doit être garantie par le vase d'expansion. La pression minimale correspond à la pression de la vapeur saturante de l'eau (0,32 bar pour une température de l'eau de 70°C) augmentée de la valeur minimale (Net Positive Suction Head ou pression minimale de gonflage) recommandée par le fabricant.

  • Puissance:

    Dimensionner correctement la puissance d'un circulateur limite les consommations énergétiques et évite le phénomène de cavitation qui entraine la détérioration du circulateur, une diminution de son rendement et du bruit dans l'installation.
    La puissance électrique absorbée par un circulateur ne devrait pas dépasser 0,5 à 1 pour mille (‰) de la puissance thermique requise, soit +/-5 à 15 W pour une habitation individuelle.

Comment agir sur les anciennes installations?

Deux cas peuvent se présenter : la conservation ou le remplacement du circulateur:

  • Dans le cas d'un circulateur conservé 

    Il est à noter que, pour les anciennes installations ayant la possibilité d'être réglées suivant 3 vitesses fixes, l'installateur avait l'habitude de surdimensionner le circulateur et de sélectionner la vitesse la plus haute afin d'éviter des plaintes de la part des usagers. Ce type de pratique entraine des surconsommations électriques qui peuvent être facilement diminuées en sélectionnant une des vitesses inférieures du circulateur.

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    Circulateurs à 3 vitesses fixes (source: 3E)

    Néanmoins conserver un circulateur antérieur à 2005 représente une consommation de l'ordre de 0,5 MWh/an, soit +/-100eur/an (en se basant sur une puissance du circulateur de 80 W et un fonctionnement de 5800 h/an). Remplacer un tel circulateur par un nouveau (répondant à la directive Eco-design ) permettra de faire d'importantes économies d'énergie. En fonction du type de circulateur existant et de sa durée de fonctionnement, la mesure peut être rentable en 1 à 5 ans.

  • Dans le cas d'un circulateur remplacé

    Lors du remplacement d'un circulateur existant on s'attachera à contrôler:

    • son dimensionnement, qui est aussi une source d'économie d'énergie.
    • la conception du circuit hydraulique (vitesse variable, vannes 2 voies,...)

Comment isoler des circulateurs?

Cet aspect est abordé dans le dispositif sur l'isolation des conduites et des accessoires.

Etudes de cas

Choisir un circulateur pour une maison unifamiliale

Prenons le cas d'une maison unifamiliale existante de 150 m² desservant 3 étages avec une chaufferie en cave qui alimente le chauffage et l'eau chaude sanitaire.

En considérant une puissance de 18 kW (120 W/m² x 150 m² = 18 kW) à véhiculer par la conduite et un ∆T de 20 °C (les émetteurs choisis étant des radiateurs), le débit calculé s'élève à +/-1,0 m³/h (Plus d'explications sur la méthodologie de calcul peuvent être trouvées dans le dispositif Dimensionner les conduites pour diminuer les pertes de charge). 

En considérant l'abaque ci-dessous et une perte de charge de 40 kPa (4 mCE) de l'installation de chauffage, le circulateur le plus adapté est le Z30/6. De même lorsque la puissance maximale est réduite de 80%, le débit descend à 0,2 m³/h. Ce point de fonctionnement est aussi dans la plage de fonctionnement (zone grisée) du circulateur Z30/6. )

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Diagramme de sélection d'un circulateur appliqué à l'exemple, en fonction de la perte de charge et du débit (Source: 3E, CSTC )

Choisir un circulateur pour du logement collectif

Prenons l'exemple d'une trémie de logements collectifs neufs alimentant 8 appartements ayant un besoin unitaire de 20 kW pour alimenter les radiateurs (∆T de 20°C) et l'eau chaude sanitaire (type combilus). Le débit s'élève alors à +/- 6,9 m³/h (Plus d'explications sur la méthodologie de calcul peuvent être trouvées dans le dispositif Dimensionner les conduites pour diminuer les pertes de charge)

En considérant l'abaque ci-dessous et une perte de charge de 80 kPa (8 mCE), le circulateur le plus adapté est le Z80/10. De même lorsque la puissance maximale est réduite de 80%, le débit descend à 1,4 m³/h. Ce point de fonctionnement est aussi dans la plage de fonctionnement (zone grisée) du circulateur Z80/10.

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Diagramme de sélection d'un circulateur appliqué à l'exemple (source: 3E, CSTC )

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mis à jour le 13/12/2016